Общие сведения об электрических фильтрах

Электрические фильтры — звенья в цепях, включаемые между источниками питания и приемниками и обеспечивающие пропуск к ним электрических величин одних частот (в том числе нулевых) и задержки других. Фильтры классифицируются по разным признакам. Укажем лишь на некоторые из них. Они могут быть пассивными, состоящими из R, L и С, и активными, в которых присутствуют кроме них активные элементы (транзисторы, усилители и др.).

Основой классических фильтров являются фильтры, которые служат базовыми. Работа таких фильтров основана на способности индуктивности и емкости Сф оказывать различные сопротивления гармоникам разного порядка и, соответственно, разных частот. Например, индуктивности легко пропускают постоянную составляющую и гармоники низшего порядка несинусоидального тока, а емкости не пропускают постоянный ток и пропускают легко гармоники высшего порядка, поскольку их реактивные сопротивления соответственно равны Хщ = со! ф = 2л/1ф и Х_с^ = 1 / соСф = 1 / 2л/Сф.

Фильтры могут быть однозвенными (когда они состоят из? ф, Сф или ^фСф-фильтров) и многозвенными (когда фильтр состоит из нескольких 1фСф-фильтров и др.).

В теории фильтров пользуются такими понятиями, как полоса пропускания (зона прозрачности), под которой понимают полосу (диапазон) частот, где затухание сигнала (уменьшение амплитуты тока или напряжения) ниже определенного уровня; полоса затухания {зона затухания) — остальная область частот, где затухание сигнала выше определенного уровня.

В зависимости от полосы пропускаемых частот фильтры подразделяются на низкочастотные у которые пропускают сигналы низкой частоты (ориентировочно до 20 кГц); высокочастотные — выше 20 кГц; полосовые — пропускают определенный диапазон (полосу) частот и заградительные (режекториые) — задерживают (подавляют) токи определенного диапазона частот.

Фильтры подразделяются на сглаживающие, резонансные и др.

По конфигурации схем сглаживающие пассивные фильтры бывают: Г-, П-образные и др. Ознакомимся с некоторыми из них.

• 1. Г-образный фильтр с индуктивным входом. Схема такого фильтра изображена на рис. 6.5, а. В этом фильтре дроссель (1ф) легко пропускает постоянную составляющую несинусоидального тока и подавляет (оказывает значительное сопротивление) высшие гармоники; конденсатор (Сф) задерживает постоянную составляющую и шунтирует переменные, «просочившиеся» через дроссель. В результате до нагрузки «доходит» сглаженное напряжение. При этом хорошее сглаживание получается, когда индуктивное сопротивление фильтра Хц_} = оо_п?ф > (5-ИО)/?", а емкостная проводимость У_сф = (О_пСф > (5-ИО) / R_lv
• 2. Г-образный фильтр с входным активным сопротивлением (рис. 6.5, б). Такие фильтры применяются в слаботочных схемах. Величину сопротивления резистора R^ и емкости конденсатора выбирают из условий Rф — * (0,05−0,3)Я_н; С_ф = Кф (Д_ф + R_u) / ma_uR_(bR_u.
• 3. П-образные фильтры. На рис. 6.5 в, г изображены П-образные фильтры CLC и CRC. Их можно отнести к многозвенным фильтрам. В данном случае они двухзвенные и состоят из Сф, и Г-образных (бфСф₂ и /?фСф₂) фильтров. В общем случае многозвенные фильтры применяются при необходимости повышенной степени сглаженности несинусоидального напряжения у потребителя.

Рис. 6.5

4. Резонансные фильтры. Они обладают высоким коэффициентом фильтрации для определенных гармоник, т. е. обладают избирательностью. Их действия основаны на явлениях резонанса токов (фильтры-пробки) и резонанса напряжений (режекторные фильтры). Например, рассмотренные выше фильтры (Ги П-образные), с точки зрения подавления основной гармоники выпрямленного напряжения (тока) при низкой частоте сети (например,/₀) не совсем рациональны, потому что дроссели в них получаются относительно массогабаритными и конденсаторы обладают довольно большими размерами. Лучшими свойствами для этих целей обладает резонансный фильтр, в котором имеется контур Ь_{С_{, настроенный на частоту первой гармоники сети, т. е. L_iC_i = 1 / (со₀)² = 1 / (2тт/₀)².

В качестве примера на рис. 6.5, д изображена одна из рациональных схем резонансного фильтра большой мощности.